Интегральные микросхемы Интегра льная микро схе ма микроэлектронное устройство

Интегральные микросхемы

Интегра льная (микро)схе ма—микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки.

Бо льшая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС, чипом) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение чип-компоненты означает «компоненты для поверхностного монтажа» (в отличие от компонентов для пайки в отверстия на плате).

История 7 мая 1952 года британский радиотехник Джеффри Даммер впервые выдвинул идею интеграции множества стандартных электронных компонентов в монолитном кристалле полупроводника, а год спустя Харвик Джонсон подал первую в истории патентную заявку на прототип интегральной схемы (ИС). Реализация этих предложений в те годы не могла состояться из-за недостаточного развития технологий Джеффри Даммер

Джек Килби Курт Леговец Роберт Нойс В конце 1958 года и в первой половине 1959 года в полупроводниковой промышленности состоялся прорыв, который решил три фундаментальные проблемы, препятствовавшие созданию интегральных схем. 1. Джек Килби из Texas Instruments запатентовал принцип интеграции, создал первые, несовершенные, прототипы ИС и довёл их до серийного выпуска. 2. Курт Леговец из Sprague Electric Company изобрёл способ электрической изоляции компонентов, сформированых на одном кристалле полупроводника (изоляцию p-n-переходом). 3. Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor изобрёл способ электрического соединения компонентов ИС (металлизацию алюминием) и предложил усовершенствованный вариант изоляции компонентов на базе новейшей планарной технологии Жана Эрни. 27 сентября 1960 года группа Джея Ласта создала на Fairchild Semiconductor первую работоспособную полупроводниковую ИС по идеям Нойса и Эрни.

Сравнение структур генератора колебаний по патенту Джонсона (со сплавным транзистором) и по патенту Килби (с меза-транзистором). Размер опытной структуры Килби — 10 мм в длину и 1. 6 мм в ширину.

Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была создана на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ «Пульсар» ). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год).

Ранние логические ИС упомянутых серий строились буквально из стандартных компонентов, размеры и конфигурации которых были заданы технологическим процессом. Схемотехники, проектировавшие логические ИС конкретного семейства, оперировали одними и теми же типовыми диодами и транзисторами. В 1961— 1962 парадигму проектирования сломал ведущий разработчик Sylvania Том Лонго, впервые использовав в одной ИС различные конфигурации транзисторов в зависимости от их функций в схеме. В конце 1962 Sylvania выпустила в продажу первое семейство разработанной Лонго транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) — исторически первый тип интегральной логики.

Уровни проектирования 1. Логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п. ). 2. Схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехнические схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п. ). 3. Электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п. ). 4. Физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле. 5. Топологический — топологические фотошаблоны для производства. 6. Программный уровень — позволяет программисту программировать (для ПЛИС, микроконтроллеров и микропроцессоров) разрабатываемую модель используя виртуальную схему. В настоящее время большая часть интегральных схем проектируется при помощи специализированных САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить производственные процессы, например, получение топологических фотошаблонов.

Классификация

Степень интеграции малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле, • средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле, • большая интегральная схема (БИС) — до 10 тыс. элементов в кристалле, • сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — более 10 тыс. элементов в кристалле. •

Технология изготовления Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле. • Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок. • Гибридная микросхема— кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус. • Смешанная микросхема — кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла. •

Вид обрабатываемого сигнала Аналоговые. Цифровые. Аналого-цифровые. Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания. Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. • • •

Технологии изготовления

Типы логики Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах — самые экономичные (по потреблению тока): 1. МОП-логика (металл-оксид-полупроводник логика) — микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа; 2. КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) — каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП). Статический КМОП инвертор

Микросхемы на биполярных транзисторах: 1. РТЛ — резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ); 2. ДТЛ — диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ); 3. ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика — микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе; 4. ТТЛШ — транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки — усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шоттки; 5. ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика — на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, — что существенно повышает быстродействие; 6. ИИЛ — интегрально-инжекционная логика.

Технологический процесс • При изготовлении микросхем используется метод фотолитографии (проекционной, контактной и др. ), при этом схему формируют на подложке (обычно из кремния), полученной путём резки алмазными дисками монокристаллов кремния на тонкие пластины. Ввиду малости линейных размеров элементов микросхем, от использования видимого света и даже ближнего ультрафиолета при засветке отказались. • В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают минимальные контролируемые размеры топологии фотоповторителя (контактные окна в оксиде кремния, ширина затворов в транзисторах и т. д. ) и, как следствие, размеры транзисторов (и других элементов) на кристалле. Этот параметр, однако, находится во взаимозависимости с рядом других производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами фотолитографии, методами вытравливания и напыления.

Назначение Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера. Аналоговые схемы: • Операционные усилители. • Компараторы. • Генераторы сигналов. • Фильтры (в том числе на пьезоэффекте). • Аналоговые умножители. • Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители. • Стабилизаторы источников питания: стабилизаторы напряжения и тока. • Микросхемы управления импульсных блоков питания. • Преобразователи сигналов. • Схемы синхронизации. • Различные датчики (например, температуры).

Генератор сигналов Преобразователь сигналов тензодатчиков Аналоговый умножитель Стабилизатор напряжения переменного тока

Цифровые схемы: • • • • • Логические элементы Триггеры Счётчики Регистры Буферные преобразователи Шифраторы Дешифраторы Цифровой компаратор Мультиплексоры Демультиплексоры Сумматоры Полусумматоры Ключи АЛУ Микроконтроллеры (Микро)процессоры (в том числе ЦП для компьютеров) Однокристальные микрокомпьютеры Микросхемы и модули памяти ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

Компараторы массы Сумматор ЦП

Аналогово-цифровые схемы: • • • • цифро-аналоговые (ЦАП) и аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). Цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС). Трансиверы (например, преобразователь интерфейса Ethernet). Модуляторы и демодуляторы. Радиомодемы Декодеры телетекста, УКВ-радио-текста Трансиверы Fast Ethernet и оптических линий Dial-Up модемы Приёмники цифрового ТВ Сенсор оптической мыши Преобразователи напряжения питания и другие устройства на переключаемых конденсаторах Цифровые аттенюаторы. Схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с последовательным интерфейсом. Коммутаторы. Генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации Базовые матричные кристаллы (БМК): содержит как аналоговые, так и цифровые первичные элементы.

Dial-Up модем Коммутатор Приемник цифрового ТВ